Инновации в оборудовании установок очистки хозяйственно-бытовых стоков поселковых образований

Аннотация. В статье представлены результаты изучения Учеными Росстата России состояния систем устройства канализации хозяйственно-бытовых стоков, на территории различных по категориям и количеству населения, муниципалитетов в Российской Федерации. Отмечается, что небольшие поселковые образования недостаточно, для нормальной жизнедеятельности, обеспечены канализационными системами. Автором статьи предлагается несколько современных научно-технических концепций технологического и конструкторского обеспечения систем канализации небольших поселковых образований и отдельно стоящих зданий. В конструкциях этих сооружений предлагается применять технологии и оборудование, которое обеспечивает экономию в потребляемой электрической энергии и материальных средств. Например: инжекционные системы фирмы “Korting” и “Mazzei”, а также строительство, совместно с очистными сооружениями малой мощности, мини ГЭС конструкции Франца Цотлотерера, которые успешно работают на малых водоемах и полноводных ручьях, с целью обеспечения сооружений электрической энергией. Представляется, для возможных инвесторов, инновационный проект очистных сооружений с установкой очистки стоков методом винтового спирального имплозионного вращения потока воды.

Ключевые слова: анализ Росстата; показатели обеспечения канализацией; поселковые образования; эжекторы Korting; эжекторы Mazzei; воздушные усилители Exair; озонаторы; имплозия потока воды.

Как театр начинается с вешалки,

так и благосостояние человеческой жизнедеятельности начинается с канализации.

Основной угрозой для жизнедеятельности граждан Российской Федерации в мирное время является нарушение первородного экологического состояния окружающей среды. В том числе безопасное состояние качества Государственных запасов объемов пресной воды. По обеспеченности   водными ресурсами Россия занимает первое место в мире. Однако, всего лишь 12% водных ресурсов относится к запасам чистой воды. Так как 58% относится к умеренно загрязненным, 26% к грязным и 4% к очень грязным. Запасы пресной воды составляют 97 тыс. км³, однако, можно использовать примерно только 11,6 км³. Основные запасы пресной воды находятся в озерах и ледниках. А ресурсы рек, из которых мы забираем пресную воду, составляют 0,5 % или 0,58 тыс. км³. Общее потребление пресной воды в России составляет 81,0 км³ в год, из них ЖКХ потребляет 15,6 км³ в год, в том числе, безвозвратное потребление составляет 3,5 км³ в год. По официальным источникам в России сбрасывается в реки полностью очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод всего 2,5 км³ в год, остальное количество сбрасывается загрязненными. Ученые заявляют, что каждый литр неочищенной сточной воды загрязняет 8 литров чистой воды в водоемах. Поэтому ЖКХ ежегодно загрязняет, как минимум, более 100 км³ питьевой воды в год. То есть значительно больше, чем составляет общее потребление. В водных водоемах, исходя из природного программирования равновесного состояния устойчивой жизнедеятельности, происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако с ростом населения и отсутствия очистки использованной воды, может наступить момент не возобновляемых процессов естественной очистки водоемов, что повлечет собой лавинное, взрывное их отравление. Согласно данным анализа, проведенного Росстатом России, в 2018 году, около 22,6% населения России не имеет доступа к централизованной канализации. Большинство таких семей пользуются выгребными ямами. 

В сельских и поселковых образованиях проживает около 40% населения России. Централизованная канализация отсутствует у 66,5% россиян, проживающих в этих жилых образованиях. В том числе, 48,1% семей проживающих в сельской местности пользуются выгребными ямами, а 18,4% не имеют канализации вообще. Среди многодетных семей, с тремя и более детей 40,9% не подключены к канализации, 29,7% пользуются выгребными ямами, а 11,2 % вообще не имеют канализации.

На основании проведенного Росстатом России анализа состояния очистки хозяйственно-бытовых стоков жилых поселковых образований следует, что в настоящее время необходимо обратить особое внимание на проектирование и строительство сооружений очистки стоков средней производительности, объемом от 200 до 1000 м³/сутки.  Однако, условия территориального размещения поселковых образований отличаются, в большинстве случаев, недостаточным энергетическим обеспечением и ограниченными возможностями сброса очищенных сточных вод в близлежащие водоемы, которые, в основном, представляют из себя небольшие речки и ручьи. Также необходимо принимать во внимание высокую биологическую загрязненность сточных вод, обусловленную не высокой степенью благоустройства водных сливных устройств и гигиенического оборудования жилых объектов.

С целью решения этой проблемы представляется интересным опыт Германской фирмы «Korting Hannover AG» по применения в качестве оборудования предварительной очистки стоков проточных цилиндрических емкостей длиной до 12,0 метров и диаметром 2,0 метров, с высотой заполнения потоком сточной воды, равной 1,6 метров. В качестве оборудования аэрации сточных вод применяются эжекторы, разработанные и изготовленные фирмой «Korting». С точки зрения затрат энергии, наиболее эффективным является предварительное сжатие воздуха до гидростатического давления и подачи его на сторону всасывания эжектора. А в дальнейшем смешивание жидкости со сжатым воздухом в эжекторе. В этом случае, требует меньшего давления рабочей жидкости. В то же время, увеличивается количество воздуха в жидкости на выходе эжектора. Рабочие сопла эжекторов Korting оснащены спиральными насадками для предотвращения засорения. Таким образом, струя рабочей жидкости рассеивает воздух при низком давлении на бесчисленное множество мелких пузырей, которые перемешиваются с рабочим потоком в зоне смешения.  Эта воздушно-водяная смесь нагнетается в реактор аэрации в режиме высокой турбулентности. При этом происходит насыщение воды избыточным кислородом. Перенос кислорода зависит не только от размера пузырьков, но и от обновления поверхности пузырьков благодаря турбулентному течению воды. При таких условиях, эжектор гарантирует оптимальный перенос кислорода и перемешивание всего объема реактора аэрации. Даже при значительном содержании биомассы в сточных водах возможно поддержание достаточной скорости потока для предотвращения появления осадков на дне реактора. Специалистами фирмы Korting проведены комплексные испытания насыщения кислородом в чистой воде (FNV M-209) методом адсорбции кислорода, которые сформировали базу для расчета эжекторов Korting.

Рисунок 1. Эжектор в реакторах «Korting»

Рисунок 2. Эжектор «Korting», общий вид

Эжекторы «Korting» успешно применяются в циклично-периодических реакторах, в которых наряду с процессами аэрации, осуществляются биологические процессы нитрификации и денитрификации в одном и том же реакторе, что требует полного перемешивания содержимого реактора как с подачей воздуха, так и без него. Это достигается простым отключением воздушного клапана на время анаэробной обработки стоков. Особое достоинство этой схемы в том, что для всех процессов используются одни и те же насосы, что влияет на общую стоимость установки, в части ее снижения.

Рисунок 3. Общий вид лежачего реактора, собранного из 3 емкостей (обрабатываемая зона в реакторе, при диаметре 2 метра – 36 х 1,6 м (высота наполнения) « Korting»

Рисунок 4.  Система подачи воздуха

В установках очистки стоков «Korting», которые применяют для аэрации и перемешивания стоков многоходовые эжекторные устройства, в основном, применяются водоструйные воздушные компрессоры. Их установка осуществляется снаружи в отдельных помещениях, что требует дополнительные строительные площади и капитальные затраты.

Рисунок 5-6. Устройство компрессорной станции

Следует отметить, что преимуществами эжекторов Korting является отсутствие планового технического обслуживания, так как в их конструкции нет движущихся частей. А также, высокая степень насыщения кислородом, так как мелкие пузырьки образуют большую поверхность контакта воздуха с водой, а высокая турбулентность обновляет эти поверхности; нет осадков, так как интенсивный поток, направленный на дно реактора, предотвращает осаждение биомассы; осуществляется прямой контакт подачи кислорода. Конструкция предотвращает засорение, так как диаметр рабочего сопла определяет самое узкое место в поперечном сечении; отсутствует проблема перелива воды, так как в случае, если система не активна, вода может подняться в воздушные трубы без негативных последствий. При запуске эжектор выкачивает всю жидкость из труб. Однако, применение водоструйных воздушных компрессоров – насосов снижают экономическую эффективность работы установки.

Поскольку аэрация сточных вод – процесс энергозатратный и потребляет 50-90% энергии от общей мощности КОС, то в последнее время, с целью снижения затрат на принудительную подачу воздуха в смесительные камеры эжекторов посредством компрессорного оборудования, практически все производственные и монтажные организации западных стран стали применять погружные аэраторы. Конструкция погружных аэраторов состоит из погружного канализационного насоса, воздушно-жидкостного эжектора и, засасывающей воздух трубы. Устройство работает полностью погруженным в жидкую среду. Для разных этапов процесса очистки стоков (аэрации, перемешивания осадка в аэробных и анаэробных условиях) промышленностью предлагается погружные аэраторы в разных технических исполнениях, которые могут удовлетворить любые условия обрабатываемых стоков, в части снижения энергетических затрат по сравнению с традиционными системами аэрации. Например, наряду с эжекторами Korting, можно отметить мелкопузырчатые аэраторы FLYMARATOR. Конструкция этого аэратора отличается от других наличием рабочего колеса, которое работает в направлении по часовой стрелке, двигая окружающую жидкость и увеличивая ее скорость. В то же самое время создается вакуум, который заполняется воздухом, захватываемым из атмосферы через трубу, подводящую воздух. Воздух тщательно перемешивается с жидкостью перед тем, как выпускается через каналы диффузора на высокой скорости, создавая массы мелких пузырьков и обеспечивая оптимальное время удержания кислорода при высокой эффективности. Главное, не нужны компрессоры

Аэрация всего объема стоков

Рисунок 7-8 Погружные мелкопузырчатые аэраторы FLYMARATOR

Рисунок 9. Аэрация и перемешивание осадка

Заслуживает особого внимания концепция специалистов фирмы MAZZEI  (США) методов очистки непостоянных по времени и средних по объемам хозяйственно-фекальных стоков поселковых образований. Аэрация и насыщение стоков начинается уже при их транспортировке в трубопроводах путем инжектирования кислорода воздуха, озона или кислорода, специально разработанными для этой цели, устройствами. Этот метод позволяет предварительно усреднить показатели сточной воды для приема в основные   сооружения очистки стоков и значительно снизить их производственную нагрузку и, соответственно, рабочие энергетические показатели. Одновременно, удаляются неприятные запахи трубопроводных систем.  Место врезки системы аэрации определяется опытным путем, по необходимости.

Рисунок 10. Конструкция системы аэрации потока сточной воды озоном или кислородом воздуха

Рисунок 11. Конструкция системы аэрации потока сточной воды озоном или кислородом воздуха

Подавляющее большинство воздушно-жидкостных эжекторов работают в результате принудительной подачи в зону образования эжекторной смеси сжатого воздуха компрессорными установками различной мощности. Например, четырех ходовой эжектор Korting требует для стабильного процесса инжекции около 88 м³/час сжатого воздуха, что соответствует производительности воздуходувки равной 1,6 м³ / мин. При этом уровень подачи кислорода составит 14 кг О₂/час. Однако, имеется возможность значительно снизить энергетические и капитальные затраты на обеспечение эжектора сжатым воздухом путем применения в качестве производителя сжатого воздуха воздушного пневматического усилителя фирмы EXAIR (США). На примере воздушного усилителя серии Super Air Amplifier рассмотрим принципиальную схему и работу усилителя 120028 (см. рисунок 12). Сжатый воздух с объемной скоростью потока, равной 3,396 SLRM, проходит через входное отверстие (1) в кольцевую камеру (2). Затем его сжимают и пропускают через небольшое кольцевое сопло с высокой скоростью. Первичный поток воздуха прилипает к стенке (эффект Коанда) и отправляется к выходному отверстию. В центре создается область с низким давлением (5), что позволяет затягивать большое количество окружающего воздуха. Комбинированный поток из окружающего и первичного воздуха выходит из воздушного усилителя, создавая объемный воздушный поток высокой скорости, с объемной скоростью потока, равной 84 900 SLRM на линии выходного сечения усилителя и 254 700 SLRM на расстоянии 152 мм от этого сечения. Таким образом, применяя воздушный пневматический усилитель Super Air Amplifier мы достигаем паспортную объемную скорость воздушного потока 1,6 м³/ мин, при исходной подаче воздушного потока производительностью в 25 раз меньше, чем производительность воздуходувки, рекомендуемая фирмой Korting для стабильной работы четырех ходового эжектора.

Следует отметить, что усилитель воздушного потока фирмы EXAIR выполняет различные функции, главные из них – это вентиляция, продувка и чистка трубопроводных систем. Основными достоинствами конструкции усилителя воздуха является: отсутствие движущихся частей. Что обеспечивает его долговечность, неприхотливость и простота в обслуживании. Снабжайте его чистым и сухим воздухом, и он будет работать почти бесконечно, без необходимости в обслуживании.

Конструкция усилителя воздушного потока защищена патентом США US 4046492A, дата приоритета: 1976-01-21

Рисунок 12. Принципиальная схема работы воздушного пневматического усилителя серии Super Air Amplifier

Рисунок 13. Номенклатура воздушных пневматических усилителей, установка и их работа

Рисунок 14. Номенклатура воздушных пневматических усилителей, установка и их работа

Рисунок 15. Номенклатура воздушных пневматических усилителей, установка и их работа

Рисунок 16. Номенклатура воздушных пневматических усилителей, установка и их работа

Для строительства очистных сооружений хозяйственно-бытовых стоков небольших поселковых образований представляет интерес проект доочистки и сброса очищенной сточной воды в немноговодные речки и ручьи через водовихревую мини гидростанцию конструкции австрийского инженера Франца Цотлотерера. Предварительная очистка стоков на установках биологической очистки, использующих различные методы анаэробной и аэробной обработки воды, требуют дополнительную доочистку от химических соединений, относящихся к предельно-допустимым нормам рыбохозяйственных вод. Для решения этой задачи предлагается на месте сброса очищенной воды в мелкие водоемы, соединение оборудования озонирования и водяной электростанции, которая одновременно обеспечит потребности установки в электроэнергии (см. рисунок 17).

Рисунок 17. Установка доочистки хозяйственно-бытовых стоков, прошедших предварительную очистку на установках биологической очистки, озонированием до ПДК сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения на WASSERWIRBELTECHNIK FRANZ ZOTLOTERER

Проект объединяет оборудование мини ГЭС F. Zotloterer (см. рисунок 18, 19) и озонатора фирмы   Mazzei со смесительной системой – flachreaktor.

Рисунок 18. Вихревая водяная электространция, автор проекта и строитель Franz Zotloterer

Рисунок 19. Вихревая водяная электространция, автор проекта и строитель Franz Zotloterer

Проект этой гравитационно-водооборотной станции обеспечивает  возможность получение электроэнергии на небольших каналах и речках, а также даже на полноводных ручьях не перекрывая реку плотиной и этим  создавая свободный проход рыбы. Водоворот аэрирует воду, благодаря чему восстанавливает процессы очищения русла. Кроме того он способствует терморегуляции водоема летом, а зимой мини ГЭС продолжает работу уже подо льдом. Диаметр бассейна  с водооборотом составляет  5,5 метра, который отдает часть потока у берега в специальный канал, - это бетонный цилиндр, к которому по касательной подходит вода, обрушиваясь в глубину в самом центре. Так образуется водоворот, с помощью которого закручивается турбина. КПД преобразованной энергии в ток от падающей воды достигает 75% . Электрическая мощность установки достигает 9,5 кВт. Рабочий перепад высот воды составляет 1,3 м., а расход – примерно 1 м³ в секунду. Турбина показала хороший КПД даже при перепаде воды 0,7 – 0,9 м. Гравитационно-оборотная станция выработала на небольшом ручье больше 50-ти мВт / ч электричества.

Применение озонирования предварительно очищенных сточных вод особо целесообразно при совмещенном решении нескольких комплексных задач, а именно, удаление, особо стйких в растворах, химических соединений, обеззараживания  и дезинфекции. Для решения задач дочистки в небольших станциях  очистки стоков целесообразно применять озонаторы призводящие озоно-кислородную смесь с концентрацией от 2,5 до 20,0 % озона. Для таких малых доз озона наиболее целесообразен прямой ввод озона без зацикливания потока воды. Поэтому в представленном пректе доочистки стоков применяется прямое введение озонированной массы предварительно обработанной сточной воды непосредственно в флашреактор, где насыщенная озоном вода специальными эжекционными форсунками фирмы MAZZEI интенсивно перемешивается с потоком.

Рисунок 20. Генератор озона ТТ-6/6, 2,5 л/ мин       

Рисунок 21. Смесители озона конструкции MAZZEI

Представленная установка доочистки прошедших первую ступень очистки хозяйственно-бытовых стоков с применением озонирования до ПДК сброса в водоемы рабохозяйственного назначения через гравитационно-водоворотную станцию конструкции Франка Цотлетерера имеет ряд экологических, энергетических и экономических преимуществ перед существующими прототипами.

Ведущими в мире предприятиями, которые разработали и внедрили научо-технический прогресс в области очистки водных растворов и, в том числе очистку хозяйственно-бытовых стоков, методом интенсификации процессов инжектирования в водный раствор кислорода воздуха или озона и чистого кислорода, являются фирмы “Mazzei”, “Kоrting Hannover AG” и некоторые фирмы Японии и других государств, применяющих этод метод, как вспомогательный. Однако преобразование соединений осуществляется привнесением кислорода воздуха или озона и чистого кислорода в тело водного раствора, на поверхность молекул, а не инициированием внутренних действия внутренних сил воды. В настоящее время предлагается установка очистки сточных вод силой внутренней энергии воды, извлеченной из энергии-массы воды, безвзрывным способом на внутримолекулярном и внутриатомном энергетическом уровне, путем имплозионного вкручивания водного потока к его центральной оси через квантоволновой когерентный узел волновода, при наведении центростремительного и центробежного вращения потока воды. Силы этих вращений, совместно с силами магнитных полевых резонансов, создают резонанс частот колебаний элементарных частиц, составляющих строение молекулы воды, что приводит к разрушению их связей и, соответственно,  к дезъинтеграции энергии-массы водного раствора на отдельные химические элементы и частицы. Как результат таких процессов, соединения распадаются и живут , в дальнейшем по свой строго индивидуальной программе, а водный раствор очищается от растворенных в нем химических элементов и вновь приобретает свое первородное качество. Все процессы происходят  в промежуток времени равному 10^-10 секунды.

Сооружение очистки хозяйственно-бытовых стоков методом винтового спирального имплозионного вращения потока воды состоит из подземной и надземной части. Подземная часть представляет собой монолитную бетонную емкость диаметром 6 метров и высотой 6 метров, в которой находится усреднитель, поступающих из магистральной канализации стоков и канализационную насосную станцию (КНС), оборудованную тремя погружными насосами.

Сооружение рассчитано на очистку стоков обособленного жилого комплекса зданий с численностью жителей равной 10 000 человек. По экологическим расчетам автора, оно может быть привязано в генплане, в середине зеленой зоны жилого квартала, в окружении небольшого водоема, в который будет производиться сброс очищенной, обеззараженной и дезинфицированной воды. Излишки поступающей в водоем воды, сбрасываются в  наружный коллектор.

Над подземной частью располагается сборно-разборное здание из металлических конструкций, имеющее в плане круглую форму и покрытие из сферической кровли. В здании монтируется установка очистки хозяйственно-бытовых стоков методом винтового спирального имплозионного вращения потока воды (УОС).

Рисунок 22. Сооружние очистки хозяйственно-бытовых стоков

1. УСО. 2. Конструкция здания. 3. Эжектор подачи стоков конструкции  Korting.  4. Трубопровод очищенной воды. 5. Трубопровод подачи стоков из системы канализации. 6. Трубопровод подачи стоков из КНС. 7. КНС. 8. Среднитель. 9. Устройство подачи стоковв КНС. 10. Насос погружной. 11. Дефлектор сброса газов . 12.  Сброс в усреднитель.

УОС состоит из металлического резервуара диаметром 3 метра и высотой 3 метра, с люком диаметром 500 мм для обслуживания оборудования, которое находится внутри резервуара, а также сливного патрубка. Внутри резервуара смонтированы реакционные трубопроводы, в которых находятся электродвигатели с устройствами завихрения потока воды. А также преобразователь потока воды с камерами впуска и выпуска. Над камерой выпуска потока воды установлена камера стабилизации сброса очищенной воды, которая снабжена уровнем понтонного типа и импульсно-предохранительный клапан. Клапан предназначен для нормализации давления воздуха и отвда, образующихся при реакциях, газов.

Усредненные канализационные стоки поступают из КНС в реакционный резервуар УОС посредством эжекторов фирмы Korting , которые предназначены для монтажа через стенку. В момент подготовки УОС к пуску сточная вода поступает в реакционные трубопроводы по закону сообщающихся сосудов до уровня из полного заполнения.. После заполнения срабатывают датчики уровня, расположенные на внутренней части  стенок резервуара и подача воды прекращается.

Рисунок  23. Установка очистки стоков вихревой струйной имплозией

1,2,3. Реакционные трубопроводы. 4. Эжектор подачи стоков. 5. Стабилизатор потока, прошедших очистку в реакционных трубопроводах, путем деъинтеграции примесей сточной воды. 6. Накопительный и расходный резервуар стоков поступающих из КНС. 7. Камера преобразования турбулентности потока. 8. Приемная воронка вытеснения потока из стабилизатора. 9. Смотровой люк. 10. Патрубок подачи очищенных стоков в камеру сброса чистой воды. 11. Камера сброса чистой воды. 12. Импульсно-предохранительный клапан. 13. Штуцер для опорожнения резервуара.

Одновременно, включаются электродвигатели, которые посредством завихрителей приводят воду в имплозионное вращение и осевое линейное перемещение. Одновременно с включением электродвигателей включаются насосы КНС. Начинается процесс настройки установки на рабочий режим. В это время потоки очищенной воды из камеры сброса, через байпасный трубопровод, поступают обратно в усредитель. Автоматическая компьютерная система определения показателей качества очистки поддерживает этот процесс до запланированного уровня качества очищенной воды. При достижении требуемых показателей сброс чистой воды переводится в рабочий режим, в бассейн чистой воды. Технология очистки, за счет полной дезинтеграции биологических элементов, позволяет не только обеззараживать но и дезинфицировать очищенные стоки.

Рисунок 24. Реакционный трубопровод с соплом Лаваля

Рисунок 25. Патрубок с встроенным устройством завихрения потока

Каждый  способ очистки сточных вод имеет свои собственные аспекты повышения эффективности и снижения энергетических и экономических затрат. Их сочетание не только целесообразно, но и экологически оправдано, поскольку зачастую очистку требуется проводить на локальных участках строительства очистных сооружений.  Применение локальных комплексов дешевле, чем использование монолитных железобетонных конструкций. Такие установки предполагают минимальные затраты электроэнергии на функционирование, а также оперативность монтажа и простоту обслуживания.